劉薇娜， 王勐

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春130022）

0 引言

磁流變液是由微米級(jí)的磁化顆粒分布于非導(dǎo)磁載體液中所形成的懸浮液。通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到對(duì)磁流變液流變特性的控制。在磁場(chǎng)作用下，磁流變液可從自由流體狀態(tài)瞬間變成固態(tài)。其微觀結(jié)構(gòu)中彌散的導(dǎo)磁顆粒產(chǎn)生偶極距，通過(guò)極偶子之間的作用，形成與外加磁場(chǎng)方向平行的鏈狀結(jié)構(gòu)。這些鏈狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生大大限制了液體的流動(dòng)。利用這一特性，通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，即可產(chǎn)生相應(yīng)的力和力矩。根據(jù)這一特性制成的機(jī)械裝置主要有阻尼器、離合器制動(dòng)器和變速箱等。

與磁流變阻尼器相比，傳統(tǒng)的液壓阻尼器是通過(guò)調(diào)整位于活塞內(nèi)的特定液壓閥實(shí)現(xiàn)機(jī)械操控，這種阻尼器調(diào)整周期往往比較固定，對(duì)于復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)阻尼效果不是很理想，因此開(kāi)發(fā)和研制出半主動(dòng)控制磁流變阻尼器越來(lái)越受到研究人員的青睞。

1 磁流變阻尼器簡(jiǎn)介

許多研究人員對(duì)磁流變阻尼器的應(yīng)用進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)磁流變阻尼器的工作模式通常分為4種：流動(dòng)模式、剪切模式、擠壓模式以及基于它們3種的混合模式。前3種模式是根據(jù)磁流變液在兩極板之間不同的工作條件劃分的。流動(dòng)模式中磁流變液在壓力和阻尼力的共同作用下，沿兩固定極板之間流動(dòng)，在剪切模式中，磁流變液位于兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的極板之間產(chǎn)生剪切阻尼力。在擠壓模式中，一極板固定，另一極板通過(guò)調(diào)整兩者間距對(duì)磁流變液產(chǎn)生擠壓效果。大量的研究結(jié)果表明，剪切模式和擠壓模式會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼力，且可調(diào)范圍廣。同時(shí)，在剪切模式下，磁流變液可避免在高磁場(chǎng)狀態(tài)下產(chǎn)生固化狀態(tài)。但與其他模式相比，來(lái)自磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼力相對(duì)較小，在擠壓模式中，雖然可產(chǎn)生較大阻尼力，但這一工作模式只能在一個(gè)非常小的振動(dòng)區(qū)域內(nèi)才能有效工作。一些研究表明，相比于單一的工作模式，這些工作模式的混合可以達(dá)到性能的改進(jìn)。使用多個(gè)流體模式的磁流變阻尼器是為了克服單一模式的缺點(diǎn)。例如埃爾西瓦德和馬克尤恩結(jié)合擠壓模式與剪切摸式，可獲得更好的阻尼力，他們使用的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)電流范圍從0～0.1 A。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在混合模式下，只用一半的電流即可產(chǎn)生與單一擠壓或剪切模式下相同大小的阻尼力。此外，瓊恩等利用基于混合模式的磁流變阻尼器為小型的建筑設(shè)施提供抗震裝置。他們證明相比于單一剪切模式或擠壓模式，應(yīng)用混合模式的磁流變阻尼器可針對(duì)小激勵(lì)產(chǎn)生大阻尼力，且在高磁場(chǎng)強(qiáng)度下不會(huì)導(dǎo)致鎖止?fàn)顟B(tài)的發(fā)生。同時(shí)，瓊恩開(kāi)發(fā)研制基于混合模式的新型柔性梁結(jié)構(gòu)，用以削弱外部振動(dòng)帶來(lái)的干擾。

應(yīng)用有限元分析軟件來(lái)模擬由磁流變阻尼器在電磁回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)。然后通過(guò)磁場(chǎng)分析來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以觀察阻尼器的性能。

2 阻尼器的模擬實(shí)驗(yàn)

圖1所示為加文等設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)理念。阻尼器的設(shè)計(jì)包括不同的幾何尺寸，分別為：極性線(xiàn)圈在活塞筒上的纏繞長(zhǎng)度L1、活塞直徑DD,活塞桿直徑DR、工作間隙S，阻尼通道長(zhǎng)度S1，活塞桿長(zhǎng)度LD和活塞長(zhǎng)度T。該阻尼器主要為工作活塞和阻尼器筒。在活塞上串聯(lián)纏繞3種不同的線(xiàn)圈。與用單一線(xiàn)圈纏繞相比，這種纏繞方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以降低電路中其余部分的電感強(qiáng)度，即可縮短響應(yīng)時(shí)間。磁流變阻尼器阻尼力主要來(lái)源于阻尼器的有效工作區(qū)。剪切模式和擠壓模式需要較大的激活區(qū)域才能獲得較大的阻尼力。對(duì)于單級(jí)活塞阻尼器，隨著激活區(qū)域中流體間隙的不斷增大，會(huì)大大降低阻尼器的敏感性。因此，對(duì)于多線(xiàn)圈阻尼器的設(shè)計(jì)往往要求在約束體積的前提下通過(guò)調(diào)整工作間隙的大小來(lái)獲得相應(yīng)的阻尼力。

如圖1所示，兩線(xiàn)圈纏繞的方向彼此相反用以產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)方向通過(guò)圖中箭頭表示。線(xiàn)圈的符號(hào)為正表示線(xiàn)圈按順時(shí)針?lè)较蚶p繞，線(xiàn)圈為負(fù)表示線(xiàn)圈按逆時(shí)針?lè)较蚶p繞。線(xiàn)圈的交變極性可以活塞兩相鄰剪切面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)改變施加電流的大小和工作區(qū)域來(lái)獲得較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在這項(xiàng)研究中選用的26AWG銅絲,其截面直徑0.4 mm、最大通過(guò)電流約為0.4 A，線(xiàn)圈在活塞上共纏繞750匝，此外，在頂部和底部端蓋上纏繞625匝線(xiàn)圈。

2.1 材料和設(shè)備

MRF-132D液體，是一種烴類(lèi)磁流變液體，由美國(guó)福特公司開(kāi)發(fā)研制，用于各種混合模式下的磁流變裝置，如阻尼器、制動(dòng)器和離合器等。圖2給出被測(cè)MRF-132DG磁流變液的磁感應(yīng)曲線(xiàn)，該B-H曲線(xiàn)近似呈線(xiàn)性的磁學(xué)性質(zhì)。

圖1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 磁流變液磁化特性曲線(xiàn)（B-H）

磁流變液本身的磁學(xué)性質(zhì)是磁流變阻尼器電磁電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。通過(guò)有限元軟件來(lái)模擬和分析基于混合模式阻尼器中的電磁電路磁場(chǎng)。通過(guò)輸入阻尼器的幾何尺寸、材料、線(xiàn)圈匝數(shù)以及電流大小等重要參數(shù)來(lái)完成磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的模擬。此外，非導(dǎo)磁材料的磁學(xué)性質(zhì)被假定為線(xiàn)性。而導(dǎo)磁體的磁學(xué)性質(zhì)被假定遵循軟件本身給出的B-H曲線(xiàn)。

2.2 磁場(chǎng)分析

磁流變阻尼器的電磁電路設(shè)計(jì)的目的是為了找到有效區(qū)域內(nèi)的最佳磁通密度從而獲得阻尼器的最佳設(shè)計(jì)。這是磁流變阻尼器最重要的研究領(lǐng)域。在阻尼器的磁路設(shè)計(jì)中，應(yīng)使得阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最先達(dá)到飽和。因此設(shè)計(jì)一個(gè)新的阻尼器需要測(cè)定多個(gè)參數(shù)。為了得到磁流變阻尼器磁場(chǎng)強(qiáng)度的最佳值，需要調(diào)整8個(gè)不同參數(shù)：材料選擇，線(xiàn)圈極性，活塞和活塞桿長(zhǎng)度，剪切和擠壓間隙，活塞直徑和外殼厚度。如圖3給出磁流變阻尼器模擬磁通密度的分布。阻尼器中的磁場(chǎng)被視為集中由電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生。磁感線(xiàn)通過(guò)活塞、活塞桿以及磁流變液構(gòu)成閉合回路。磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加會(huì)大幅改變阻尼器的性能指標(biāo)。該阻尼器由纏繞在活塞缸以及頂部和底部端蓋的線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。在該阻尼器中纏繞在活塞缸區(qū)域內(nèi)的線(xiàn)圈工作時(shí)應(yīng)具有產(chǎn)生滿(mǎn)足磁流變液的最大屈服應(yīng)力的能力。為了增加整個(gè)有效區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁通在阻尼器中的長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)計(jì)成最小化。對(duì)于上述要求，應(yīng)采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟牧蟻?lái)保證磁通沿著活塞、活塞桿、頂部和底部端蓋構(gòu)成閉合回路。

圖3 模擬MR阻尼器磁通密度分布

如圖4～圖6所示的為當(dāng)線(xiàn)圈輸入0.4A電流工作間隙設(shè)定在1～2 mm磁通密度的分布圖。分別沿阻尼通道的長(zhǎng)度取磁通密度的平均值。圖5所示為沿工作間隙中心線(xiàn)方向的磁通密度分布圖。圖5（a）中磁感線(xiàn)的方向垂直于在剪切模式下磁流變液的流動(dòng)方向。此外，極性相反的線(xiàn)圈用以產(chǎn)生更多的磁通線(xiàn)。有3組線(xiàn)圈在阻尼器3個(gè)不同方位上產(chǎn)生的磁通線(xiàn)經(jīng)過(guò)互相干涉，在活塞桿上形成3個(gè)峰值。分別為峰1、峰2、峰3。各峰值的平均值分別為 0.079T、0.066T、0.040T。圖6為擠壓工作模式下磁通密度分布圖。圖中紅色居中線(xiàn)代表磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值。擠壓間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值為0.2T，磁場(chǎng)強(qiáng)度值幾乎從中央?yún)^(qū)域開(kāi)示增加，然后距阻尼器的中心約7mm處，磁通密度值逐漸減小，14 mm過(guò)后，磁通密度幾乎衰減為0。

圖4 基于混合工作模式下的磁通密度分布圖

圖5

圖7

2.3 外加電流的影響

圖7 所示為當(dāng)施加不同大小的電流時(shí)，阻尼器內(nèi)各部分磁通密度的分布情況。圖7表明，隨著電流從0.1 A增加至0.4 A，剪切和擠壓區(qū)的磁通密度不斷增大。圖7（b）為擠壓模式下的平均磁通密度分布圖，從圖中可以看出，當(dāng)距離從10 mm增至14 m時(shí)，曲線(xiàn)趨于靠攏，并逐漸衰減為0。擠壓模式下磁通密度的平均值取自活塞底部的中心線(xiàn)。

2.4 初始間隙大小的影響

圖8所示為當(dāng)外界施加相同大小的電流時(shí)，初始間隙從2 mm降至0 mm時(shí)磁通密度的分布情況。從圖8中可以看出隨著初始間隙的增加，磁通密度反而減小。

圖8 不同強(qiáng)度電流下磁通密度隨初始間隙尺寸變化分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)分析影響阻尼器磁通密度分布情況的因素。了解剪切模式和擠壓模式下，電流強(qiáng)度和初始間隙的變化對(duì)磁通密度分布影響，為阻尼器的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。應(yīng)用單一變量分析法有助于對(duì)阻尼器的電磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的分析了解。

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